Методическое пособие 670

Научный Вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета

Sq,

S

Sq,

S

S

S

Рис. 2. Конструкция уголкового фильтра. 1- корпус фильтра (сталь листовая); 2 – кассета (уголок 36×36×7); 3 – трубка оросительная

Проведенные нами испытания на экспериментальной установке уголковых фильтров позволили довести очистку воздуха до 7-20 мг/м3. Установка уголковых фильтров позволяет уменьшить абразивный износ пылеуловителей.

Эффективность применения уголковых фильтров представлена на рис.3.

121

Научный Вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета

Sq, нм

Sq,

нм

Sq, нм

Sq, нм

Sq, нм

Sq, нм

Sq,

нм

Sq, нм

Sq, нм

Sq, нм

Рис. 3. Эффективность применения уголковых фильтров

Выводы. Теоретически показано, что при мгновенном спуске по желобу материала рост эжекционного давления «жестко» связан с изменением расхода пересыпаемого материала. При плавном изменении расхода частиц в начале и в конце пересыпки материала наблюдается повышение давления, по сравнению с установившимися величинами. Объясняется это наличием максимального значения эжекционного напора при определенной величине расхода материала.

122

Научный Вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета

Список литературы

1.Полосин И.И. Кузнецов С.Н. Расчѐт концентраций загрязнѐнных веществ в помещениях с нестационарными источниками вредностей // Изв. вузов. Строительство. - 1998. -№ 7. - С. 83 - 85.

2.Полосин И.И., Старцева Н.А. Экологические аспекты воздушного режима химических предприятий // Межвуз. сб. науч. трудов. - Воронеж, 1998. - С. 145 - 149.

3.Сазонов Э.В. Научно-методические основы организации воздухообмена в производственных помещениях. - Автореф. дисс…. д.т.н. - Воронеж, 1973. - 45 с.

Сушко Елена Анатольевна‒ к.т.н., ст. препод. кафедры Пожарной и промышленной безопасности Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. E-mail: vgasupb@mail.ru.

Тел. (473)2715321.

Переславцева Инна Игоревна‒ асп. кафедры Пожарной и промышленной безопасности Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. E-mail: vgasupb@mail.ru. Тел. (473)2715321. Шепс Роман Александрович‒ магистрант 2-го года обучения направления «Строительство» Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. E-mail: vgasupb@mail.ru. Тел. (473)2715321.

123

Научный Вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета

УДК 699.81

Н.А. Старцева, СА. Колодяжный, К.Н. Сотникова

ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОЙ СХЕМЫ УДАЛЕНИЯ ЗАГРЯЗНЕННОГО ВОЗДУХА В УСЛОВИЯХ ВЗРЫВОПОЖАРООПАСНОЙ СИТУАЦИИ

Рассмотрен стационарный изобарический процесс, который моделировался в теплый период года. Методом моделирования исследовано одиннадцать вариантных схем удаления загрязненного вредностями (толуол) воздуха при притоке в рабочую зону насосной. Произведен выбор оптимальной схемы воздухообмена, исходя из минимальных средних избыточных температур и концентраций вредных веществ (толуол) в рабочей зоне насосной и минимальных среднеквадратичных отклонений этих величин от средних.

Ключевые слова:толуол, концентрация вредных веществ, вариантные схемы удаления загрязненного вредностями воздуха, оптимальная схема воздухообмена

N.A. Startseva, S.A. Kolodyazhny, K.N. Sotnikova

CHOICE OF THE OPTIMAL SCHEME OF REMOVAL OF POLLUTED AIR UNDER THE CONDITIONS OF THE FIRE EXPLOSIBLE SITUATION

Stationary isobaric process modeled during the warm period of a year has been considered. Eleven alternative modeled schemes of the removal of air polluted by toluene at inflow to a working zone of the pump has been investigated. The choice of the optimal scheme of air exchange has been carried out, proceeding from the minimal average excess temperatures and concentration of harmful substances (toluene) in pump working zone as well as the minimal mean square deviations of these values from average magnitudes.

Keywords: toluene, concentration of harmful substances, alternative schemes of removal of the air polluted by harmful substances, the optimal scheme of air exchange

Введение. Определить концентрацию вредных веществ в рабочей зоне теоретическим расчетом пока не представляется возможным вследствие многих переменных факторов. С помощью натурных исследований выявить истинную картину распределения вредностей очень затруднительно, а зачастую и невозможно, так как для проведения натурных исследований мы почти лишены возможности варьировать различными схемами организации воздухообмена, направлением движения воздушных потоков.

При моделировании процессов вентиляции необходимо равенство критериев подобия в модели и натуре [1]. Нами рассматривался стационарный изобарический процесс, который моделировался лишь в теплый период года, когда условия труда самые неблагоприятные.

Модель насосной (см. рис.) имела следующие размеры: длина 1200 мм, ширина 1200 мм и высота 760 мм. Покрытие, пол, торцевые и одна боковая стенка изготовлены из фанерных щитов общей толщиной 57 мм, внутри которых помещен пенополистирол для утепления. Одна боковая стенка имитировала остекление. Между оконными перегородками ( =3 мм), расположенными на расстоянии 15 мм друг от друга была натянута нихромовая проволока для регулирования теплопотерь при различных тепловых нагрузках.

При максимальных удельных теплоизбытках в натуре 0 – 30 Вт/м3 напряжение составит V=47 В. Подача паров вредных веществ осуществлялась с помощью специальной

© Старцева Н.А., 2013

124

Научный Вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета

установки, которая состояла из воздуходувки с электродвигателем N=1,4 кВт, n=1425 об/мин, индикаторов расхода газа (ротаметров) типа РС-3а, стеклянной колбы и медных трубок с внутренним диаметром 4 мм. Вредные вещества поступали в модель через отверстия в медных трубках.

Причем, в первых насосах по ходу движения вредного вещества, было просверлено три отверстия d=1,5 мм, во-вторых – 7 отверстий d=1,9 мм, в-третьих – 11 отверстий d=2,4 мм. Расчет диаметров отверстий основывался на равномерном истечении вредного вещества из всех моделей насосов.

В качестве примеси к воздуху в основных экспериментах был выбран толуол, пары которого в 3,2 раза тяжелее воздуха. Подача воздуха осуществлялась на уровне рабочей зоны. При устройстве вентиляционных систем в модели соблюдались следующие условия однозначности:

а) геометрическая конфигурация выходных отверстий; б) геометрическое расположение поверхностей, ограничивающих струю; в) направление струи в пространстве;

г) распределение скоростей и температур во входном сечении.

Рисунок. Модель насосной (разрез, план)

Каждая группа электронагревателей была снабжена трансформатором ЛАТР с широким диапазоном регулирования напряжения. Количество расходуемой электроэнергии фиксировалось зеркальными амперметрами и вольтметрами с классом точности 0,5.

Температура воздуха в приведенных экспериментах замерялась ртутными лабораторными термометрами с ценой деления 0,1 оС и хромелькопелевыми термопарами. Для опытов было изготовлено и протарировано 50 штук термопар. Каждая термопара тарировалась отдельно. Термопары подключались к потенциометру ЭПП-09 М3.

125

Научный Вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета

Методом моделирования исследовались одиннадцать вариантных схем удаления загрязненного вредностями (толуол) воздуха при притоке в рабочую зону насосной.

Введем коэффициент , характеризующий отношение количества воздуха, удаляемого из нижней зоны помещения (насосной) ко всему количеству удаляемого воздуха, т.е.

Эксперименты проводились при теплоизбытках от 0 до 30 Вт/м3. Воздухообмен менялся от 5 до 18 ч-1. При кратности 5 ч-1 общее количество воздуха в пересчете на модель составило 15,8 м3/ч, при кратности 18 ч-1- 56,9 м3/ч. Выбор оптимальной схемы воздухообмена производился, исходя из минимальных средних избыточных температур и концентраций вредных веществ (толуол) в рабочей зоне насосной и минимальных среднеквадратичных отклонений этих величин от средних.

Выводы. Распределение температур и концентраций подчиняется нормальному закону. Обработку экспериментальных данных производили по методу корреляционнорегрессионного анализа. Этот метод позволяет выявить существенные закономерности в более общем виде, элиминируя влияние случайных колебаний в зависимости от анализируемых факторов [2, 3].

Список литературы

1.Батурин В.В. Основы промышленной вентиляции. - М.: Профиздат, 1990. - 448 с.

2.Венецкий И.Г., Кильдишев Г.С. Теория вероятностей и математическая статистика. - М.: Статистика, 1975. - 264 с.

3.Вентцель Е. С., Овчаров Л. А. Теория вероятностей. - М.: Физматгиз, 1973. - 164 с.

Старцева Наталья Александровна ‒ к.т.н., начальник управления магистратуры Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. E-mail: vgasupb@mail.ru. Тел. (473)2715321. Колодяжный Сергей Александрович ‒ к.т.н., доцент, проректор по учебно – воспитательной работе. E-mail: vgasupb@mail.ru. Тел. (473)2715321.

Сотникова Ксения Николаевна ‒ к.т.н., ст. препод. кафедры теплогазоснабжения и нефтегазового дела Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. E-mail: vgasupb@mail.ru. Тел.

(473)2715321.

126

Научный Вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета

УДК 543.183

Г.В. Славинская, О.В. Куренкова

КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ СИНТЕТИЧЕСКИХ ИОНООБМЕННИКОВ ДЛЯ ПИЩЕВОЙ И ЭЛЕКТРОННОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Показана необходимость глубокой очистки товарных ионообменников от органических веществ. Исследованы разные варианты кондиционирования ионитов. Контроль очистки ионитов проводился по оптической плотности промывных вод и регенератов. Иониты не выделяют примеси после троекратной обработки растворами кислоты и щелочи и длительной отмывки водой. Контроль отмывки ионитов нужно проводить не по остаточной щелочности или кислотности, а спектрофотометрически при длине волны 205 нм в кюветах

100 мм.

Ключевые слова: ионообменники, мономеры, очистка, кислотно-щелочная обработка.

G.V. Slavinskaya, O.V. Kurenkova

CONDITIONING OF SYNTHETIC ION EXCHANGERS

FOR FOOD AND ELECTRONIC INDUSTRY

The necessity of deep cleaning of commodity ion exchangers from organic substances has been shown. Different conditioning options of ionites have been investigated. Control of cleaning of ionites was carried out through the optical density of scrubbling waters and regenerators. Ionites do not emit impurity after triple processing by acid and alkali solutions and a long time cleaning by water. Control of ionites cleaning needs to be carried out not by the residual alkalinity or acidity, but spectrophotometrically with in the length of wave of 205 nanometers in ditches of 100 mm.

Keywords: ion exchangers, monomers, cleaning, acid-base processing.

Общие сведения. В пищевых производствах, а также в тепло- и атомной энергетике при получении особо чистой воды необходима предварительная подготовка ионообменников, которые используются для удаления органических веществ и глубокого обессоливания природных вод. Эта мера предпринимается для того, чтобы исключить вторичное загрязнение воды примесями, вымываемые из ионитов.

Эта проблема обсуждается в научной литературе не первый год [1, 2]. Особенно она обострилась, когда прецизионным производствам потребовалась ультрачистая воды. Выявлена нестойкость ионитов не только в растворах реагентов - регенерантов, но и в чистой воде [3].

Оказалось, что иониты, являясь водонерастворимыми объектами, тем не менее, выделяют в воду вещества, наличие которых обусловлено неполнотой прохождения основных реакций синтеза; протеканием наряду с ними побочных процессов; применением катализаторов, стабилизаторов, порообразователей.

Играет роль и качественный состав исходного сырья. Например, применяемый для синтеза полимерной матрицы стирол-дивинилбензольного сорбента технический дивинилбензол представляет собой смесь этилстирола, этилбензола, стирола, ксилола, диэтилбензола, содержащую лишь 40 % основного компонента [4]. Даже в случае применения высокочистых реагентов процесс получения ионитов неизбежно приводит к появлению в ней незаполимеризовавшихся олигомеров.

© Славинская Г.В., 2013

127

Научный Вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета

При синтезе пористых ионитов для регулирования соотношения агента и порообразователя применяют разнообразные вещества, среди которых гептан, декан, изооктан, технический бензин и др. соединения [5]. Наряду с этим следует учитывать, что органические примеси могут появляться также при хранении ионита в результате процессов деструкции [1].

Отмечается, что содержание органических примесей в поликонденсационных смолах выше, чем в полимеризационных, в анионитах – выше, чем в катионитах. В первом случае это объясняется трудностью регулирования процесса синтеза ввиду многообразия происходящих между мономерами реакций, во втором – более высокой органофильностью функциональных групп анионитов. Как правило, аниониты содержат в качестве функциональных групп углеводородный радикал, а функциональные группы катионитов носят ярко выраженный неорганический характер, которые не проявляют сродства к органическим примесям и экранируют углеводородную матрицу от доступа примесей.

В [6] исследование посвящено определению примесей, вымываемых из ионитов. Нашли, что из катионита вымывается больше примесей, чем из анионита. Примеси, вымываемые из катионита, в значительной мере поглощаются анионитами в процессе обессоливания воды. Таким образом, даже смолы ядерного класса, как, оказалось, выделяют в воду органические примеси.

Методом гель-хроматографии идентифицированы органические вещества, присутствующие в стирол-дивинильных смолах Амберлайт ХАД фирмы «Rohm and Haas». К ним относятся нафталин, алкилбензолы, стиролиндены, бифенил, бензойная кислота, углеводороды С8 – С24 и фталевые эфиры.

Известны данные о примесях, содержащиеся в отечественных полимеризационных и поликонденсационных смолах, полученные с применением объемных, колориметрических и спектральных методов, газожидкостной и тонкослойной хроматографии. Среди вымываемых из ионитов органических веществ обнаружены дивинилбензол (катионит КУ-2, анионит АВ17); стирол (КУ-2, АВ-17, АВ-17чС); углеводороды, имеющие сульфогруппы (КУ-2) и стирольные группировки (КУ-2-12П, КУ-23); поверхностно-активные вещества (КУ-1); алкилбензол-сульфонаты (АВ-17); пиридин (анионит АВ-16); полиэтиленполиамины, эпихлоргидрин (аниониты АВ-16, ЭДЭ-10П); формальдегид (ЭДЭ-10П).

Кроме того показано, что в бензольных экстрактах из ионообменных смол КУ-2-8, КУ-2-8чС, АВ-17-8, АВ-17-8чС присутствуют несколько тяжелых углеводородов, среди которых идентифицирован бенз(а)пирен в следовых количествах. Отмечается, что иониты ядерного класса и марки чС при контакте с водой незначительно, но все же выделяют в нее вещества неорганического и органического характера. Многие авторы пришли к выводу, что не существует абсолютно чистых ионитов.

Подвижность органических молекул и ионов в микроканалах пространственной сетки полимера, как правило, низка. Иногда из-за стерических препятствий полимерный каркас вообще непроницаем для какой-либо молекулы, и она прочно удерживается в ячейках матрицы, образуя с ней включения типа клатратного комплекса.

Указанные факторы имеют существенное значение при кондиционировании ионитов. Общая природы взаимодействия ионообменных смол с органическими веществами, внесенными в сорбент, как в процессе его производства, так и при его эксплуатации,

органические вещества, присутствующие в обессоленной воде, но и продукты деструкции ионообменных материалов, с которыми соприкасалась вода в процессе обработки. Так, в [7] обнаружили, что происходит изменение значений рН и удельной электропроводности воды.

Научный Вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета

содержание сульфокислот равно 20 5 мкг/л, а аминов 25 15 мкг/л, то после фильтров с индивидуальными ионитами катионитом КУ-2-8 и анионитом АВ-17-8 их больше: соответственно 58 5 и 604 15 мкг/л. Этот эксперимент подтвердил факт взаимного поглощения продуктов их деструкции в ФСД.

Ксожалению, органоемкость гелевых ионообменников невелика (по данным [8] она

в5-6 раз меньше емкости по минеральным ионам), и этот эффект весьма быстро исчезает. Исследовалась [9] выщелачиваемость органических веществ при температуре 50 оС.

Она происходила при контакте анионита с обессоленной особо чистой водой, содержащей 100 мкг/л общего органического углерода (ООУ). Основным, вымытым из ионитов компонентом, был триметиламин ~ 50 % от количества ООУ, а также метанол. Выщелачиваемые вещества имели молекулярную массу от 5 до 10 тыс. Получены также 3 низкомолекулярных соединения неизвестного состава. Отщепление функциональных групп анионитов в результате деструкции зафиксировано также в [10].

Процесс очистки ионита весьма трудоемок и длителен: авторы [11] из практического опыта заключили, что для очистки от органики нужно провести 5 или более циклов, чтобы ионит пришел в равновесие с водой, которую он очищает.

Неожиданные и противоречащие общему мнению технологов результаты получены при кондиционировании ионитов [12]: при фильтровании особо чистой воды через гелевые и макропористые аниониты содержание органических веществ в фильтрате повысилось незначительно, в то время как из катионитов отечественного и зарубежного производства выделялось много примесей (считается, что имеет место обратная зависимость стойкости катионитов и анионитов в воде).

Экспериментально определен состав минеральных и органических веществ, вымываемых при длительной обработке катионообменных смол в работе [13]: 4- фенолсульфоновая кислота, 4-сульфобензойная кислота, сульфированные олигомеры на основе сульфированного полистирола. Эти примеси затем поглощаются анионитами, которые в технологической линейке обессоливания воды располагаются после катионитовых фильтров. Замечено, что повышение степени сшивки смол снижает поступление органических примесей в воду, а из макропористых аналогов их вымывается больше, чем из гелевых.

Обработка растворами минеральных солей (NaCI) или гидроксидов (NaOH, KOH) щелочных металлов, а также минеральными кислотами HCI, HNO3) в разной последовательности с промежуточными промывками обессоленной водой - наиболее часто применяемый прием кондиционирования товарных и работавших ионообменников.

Для кондиционирования иногда применяют достаточно жесткие методы воздействия на сорбент. Так, в [14] при получении воды, в которой предусмотрена повышенная степень очистки от органических веществ, подвергали ионообменные смолы обработке сжиженнымСО2, что позволило экстрагировать основное количество низкомолекулярных примесей с поверхности смол. Это метод рекомендован для применения в производстве полупроводников, в медицине, атомной энергетике и др.

Кондиционирование ионитов с помощью растворов 0,5 моль/л NH4OH и HCI нашли весьма эффективной в [7]. Контроль извлекаемых из смол продуктов контролировали путем измерения площади спектра поглощения в диапазоне 230-270 нм.

Применяемые химические методы кондиционирования, на наш взгляд, можно сгруппировать по ряду признаков. Во-первых, по характеру используемых реагентов (органические или минеральные); во-вторых ‒ с подогревом или в нормальных условиях; в- третьих - по объекту контроля: сам ионит, промывные воды, регенерирующий раствор.

Экспериментальная часть. Нами [15] исследовано влияние кратности попеременной

Научный Вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета

плотности воды при =205 нм и длине кюветы 100 мм, а также перманганатной окисляемости промывных вод и регенератов.

Эксперимент проводили в динамических условиях следующим образом. Иониты, загруженные в стеклянные колонки на высоту 23,5 см (15 см3) обрабатывали с линейной скоростью 10 м/ч последовательно растворами HCl и NaOH (0,5 н) с отмывкой дистиллированной водой. Объем пропускаемых растворов был кратен 10 объемам загрузки ионитов. Растворы после первого цикла обработки товарных образцов смол не исследовали. После второго цикла и последующих циклов измеряли в цилиндрических кюветах длиной 100 мм оптическую плотность (Dп) промывной воды и определяли ее перманганатную окисляемость. Оказалось, что окисляемость воды, прошедшей загрузку ионитов в колонке, и дистиллированной, мало отличаются. Однако величина ее оптической плотности в 3÷5 раз превышала оптическую плотность дистиллята (Dо). Это свидетельствует о том, что выделяемые ионитами органические вещества являются трудно окисляющимися, поэтому такой мягкий окислитель как перманганат калия их не разрушает.

На предприятиях часто рабочий цикл глубокого обессоливания воды прерывается. Поэтому представлялось интересным оценить качество фильтрата после пауз в работе разной длительности. С этой целью через образцы анионитов в ОН-форме пропускали в указанном выше режиме дистиллированную воду с величиной D=0,066 (оптическая длина кюветы 100 мм). Фильтрат отбирали фракциями по 16 приведенных объемов в объемах загрузки и измеряли параметр D (длина волны 205 нм) на спектрофотометре СФ-16.

Рисунок. Изменение оптической плотности дистиллированной воды при ее пропускании через аниониты АВ-17-2П (1) и АВ-17-10П (2)

Оказалось, что во время остановки потока воды через колонки оба образца анионитов выделяют в воду органические вещества, причем пористый анионит АВ-17-10П отдает в воду органических компонентов в 1,5-2,0 раза больше, чем его менее сшитый аналог АВ-17- 2П. Кроме того, анионит АВ-17-2П отмывается от примесей быстрее, чем сильно сшитый АВ-17-10П.

На рисунке показано, что для отмывки ионитов от примесей необходимо расходовать большие объемы воды, по крайней мере, около 100 приведенных объемов. Пики на кривой зависимости оптической плотности от объема пропущенной воды возникают после остановки фильтрования дистиллята через колонку. Паузы составили 3, 7 и 24 ч. После чего оптическая плотность возрастала пропорционально длительности перерыв в работе.

Для АВ-17-2П цифры оптической плотности составили ряд: 0,10 - 0,14 - 0,25;

для АВ-17-10П: 0,14 - 0,25 - 0,44.

Эти данные свидетельствуют о том, что двух циклов попеременной кислотнощелочной обработки недостаточно для удаления примесей из товарных образцов ионитов.

В процессе обработки ионитов снимали также кривые отмывки загрузки от реагентов – кислоты и щелочи. Оказалось, что отмывка от регенерантов заканчивается

130